Neutron Stars and Pulsars

中子星和脉冲星

一些超新星事件后留下的致密、快速旋转的残留物，发射出辐射束

当大质量恒星到达生命终点时 核心坍缩超新星，它们的核心可以收缩成超高密度物体，称为 中子星这些残骸的密度甚至超过了原子核，将太阳的质量压缩成一个大约相当于一座城市大小的球体。在这些中子星中，有些旋转速度很快，并拥有强大的磁场——脉冲星——发射出地球可探测到的辐射光束。在本文中，我们将探索中子星和脉冲星是如何形成的，它们在宇宙景观中的独特之处，以及它们的能量辐射如何让我们洞察物质边界的极端物理。

1. 超新星形成后

1.1 核心坍缩和中子化

大质量恒星（&≥8–10 M⊙)最终形成一个 铁心 不再能维持放热聚变。当核心质量接近或超过 钱德拉塞卡极限 （~1.4 米⊙)，电子简并压力失效，引发 核心坍塌. 只需几毫秒：

  1. 坍缩的核心将质子和电子压缩成 中子 （通过逆β衰变）。
  2. 中子简并压力 如果核心质量保持在约 2-3 M 以下，则停止进一步坍缩⊙。
  3. 反弹冲击波或中微子驱动的爆炸将恒星的外层推入太空，形成 核心坍缩超新星 [1,2]。

左边是 中子星— 超密物体，半径通常约为 10-12 公里，但质量为 1-2 个太阳质量。

1.2 质量和状态方程

确切的 中子星质量极限 （“托尔曼-奥本海默-沃尔科夫”极限）并不精确，但通常为 2–2.3 M⊙。超过这个阈值，核心继续坍缩成 黑洞中子星结构取决于核物理和 状态方程 超高密度物质，这是天体物理学与核物理学相结合的一个活跃研究领域[3]。

2. 结构和组成

2.1 中子星的层

中子星有一个 分层 结构：

  • 外层地壳：由原子核和简并电子的晶格组成，密度高达中子滴。
  • 内壳：富含中子的物质，可能具有“核面食”相。
  • 核：主要是超核密度的中子（以及可能的奇异粒子，如超子或夸克）。

密度可以超过 1014 克厘米-3 在核心中——类似于或大于原子核。

2.2 极强磁场

许多中子星表现出 磁场 比典型的主序星强得多。恒星的磁通量在坍缩过程中被压缩，场强被放大到108–1015 G. 较强的磁场位于 磁星，这可能导致剧烈的爆发和表面断裂（星震）。即使是“正常”的中子星，通常也拥有109–12 格[4,5]。

2.3 快速旋转

坍缩过程中角动量守恒加速了中子星的自转。因此，许多新生的中子星以毫秒到秒的周期自转。随着时间的推移， 磁力制动 和外流可以减缓这种旋转，但年轻的中子星可能一开始是“毫秒脉冲星” 当通过质量转移在双星中形成或旋转时。

3.脉冲星：宇宙的灯塔

3.1 脉冲星现象

一个 脉冲星 是一颗旋转的中子星，其 磁轴 和 旋转轴强磁场和快速旋转产生 梁 磁极附近出现的电磁辐射（射电、光、X射线或伽马射线）。随着恒星旋转，这些射线像灯塔光束一样扫过地球，产生 豆类 在每个旋转周期[6]。

3.2 脉冲星的类型

  • 射电脉冲星：主要在无线电波段发射，具有从~1.4 毫秒到几秒的极其稳定的旋转周期。
  • X射线脉冲星：通常在双星系统中，中子星从伴星吸积物质，产生 X 射线束或脉冲。
  • 毫秒脉冲星：旋转速度非常快（周期为几毫秒），通常通过双星伴星的吸积而“加速旋转”（循环），是已知最精确的宇宙时钟之一。

3.3 脉冲星自旋减速

脉冲星通过电磁扭矩（偶极辐射、星风）损失自转能量，自转速度逐渐减慢。它们的周期在数百万年内不断延长，最终黯淡到无法探测的程度，也就是所谓的“脉冲星死亡线”被划掉了。有些仍然处于脉冲星风星云阶段，为周围的气体提供能量。

4. 中子星双星和奇异现象

4.1 X射线双星

在 X射线双星中子星会吸积来自近距离伴星的物质。下落的物质形成吸积盘并释放X射线。如果吸积盘出现不稳定性，可能会发生间歇性爆发（瞬变）。观测这些明亮的X射线源有助于测量中子星的质量、自旋频率，并探索吸积物理学[7]。

4.2 脉冲星伴星系统

双脉冲星与另一颗中子星或白矮星一起提供了重要的测试 广义相对论，特别是测量引力波发射引起的轨道衰减。双中子星系统 PSR B1913+16 （赫尔斯-泰勒脉冲星）首次揭示了引力辐射的间接证据。诸如“双脉冲星”（PSR J0737−3039）继续完善引力理论。

4.3 合并事件和引力波

当两颗中子星螺旋在一起时，它们可以产生 基洛诺瓦 爆发并发出强烈的 引力波. 地标检测 格W170817 2017年证实了一个双中子星系统的合并，这与千新星的多波长观测结果相符。这些合并还可以通过 r-过程 核合成，强调中子星是宇宙铸造厂[8,9]。

5. 对银河环境的影响

5.1 超新星遗迹和脉冲星风星云

中子星的诞生 核心坍缩超新星 留下 超新星遗迹——不断膨胀的喷出物质壳层加上激波前沿。一颗快速旋转的中子星可以产生 脉冲星风星云 （e.g., 蟹状星云)，脉冲星产生的相对论粒子为周围气体提供能量，在同步辐射中发光。

5.2 重元素的引入

超新星爆炸或中子星合并中的中子星形成会释放出更重元素（如锶、钡等）的新同位素。这些化学富集物会进入星际介质，最终融入未来的恒星和行星体。

5.3 能量与反馈

活跃脉冲星发射强 粒子风 磁场可以膨胀宇宙泡，加速宇宙射线，并电离局部气体。磁星拥有极端磁场，可以产生巨大的耀斑，偶尔会扰乱局部星际介质。因此，中子星在最初的超新星爆炸之后很长一段时间内仍在持续塑造其环境。

6. 观察特征和研究

6.1 脉冲星巡天

射电望远镜（e.g.、阿雷西博、帕克斯、FAST）历史上曾扫描天空寻找脉冲星的周期性射电脉冲。现代阵列加上时域巡天技术发现了毫秒脉冲星，探索了银河系内的脉冲星群。X射线和伽马射线天文台（e.g.、钱德拉、费米）发现高能脉冲星和磁星。

6.2 NICER 和定时阵列

太空任务 更好 国际空间站上的中子星内部成分探测器（中子星内部成分探测器）测量中子星的 X 射线脉动，改进质量半径约束以解开其内部状态方程。 脉冲星计时阵列 （PTA）统一稳定的毫秒脉冲星，以探测宇宙尺度超大质量黑洞双星的低频引力波。

6.3 多信使观测

中微子 和 引力波 未来超新星或中子星并合的探测可以直接揭示中子星的形成条件。观测千新星事件或超新星中微子，可以对极端密度下的核物质产生前所未有的约束，将天体物理现象与基础粒子物理学联系起来。

7. 结论与未来展望

中子星 和 脉冲星 代表了恒星演化过程中一些最极端的结果：大质量恒星坍缩后，会形成直径仅约10公里的致密残余物，但其质量通常超过太阳。这些残余物携带着强磁场和快速自旋，表现为脉冲星，发出辐射，辐射范围覆盖整个电磁波谱。它们在超新星爆炸中诞生，为星系注入了新的元素和能量，影响着恒星的形成和星际介质的结构。

从产生引力波的双中子星并合，到伽马射线辐射强度远超整个星系的磁星耀斑，中子星始终处于天体物理学研究的前沿。先进的望远镜和计时阵列持续揭示脉冲星束几何结构、内部成分以及并合事件短暂信号的细微细节，将宇宙极端事件与基础物理学联系起来。透过这些壮观的遗迹，我们得以窥见大质量恒星生命周期的最后篇章，探索死亡如何催生辐射现象，并塑造未来亿万年的宇宙环境。

参考文献及延伸阅读

  1. 巴德，W.， & Zwicky，F.（1934）。 “关于超新星。” 美国国家科学院院刊， 20，254–259。
  2. 奥本海默，JR， & Volkov，GM（1939）。 “论大质量中子核。” 物理评论， 55，374–381。
  3. 夏皮罗，SL， & Teukolsky，SA（1983）。 黑洞、白矮星和中子星：致密物体的物理学。 Wiley-Interscience。
  4. 邓肯，RC， & Thompson，C.（1992）。 “强磁中子星的形成：对伽马射线爆发的影响。” 天体物理学杂志快报， 392，L9–L13。
  5. Gold，T.（1968 年）。 “旋转中子星是脉动射电源的起源。” 自然， 218，731–732。
  6. 曼彻斯特，RN（2004）。 “脉冲星及其在天体物理学中的地位。” 科学， 304，542–545。
  7. Lewin，WHG，van Paradijs，J.， &放大器; van den Heuvel，EPJ（编辑）。 （1995）。 X射线双星。 剑桥大学出版社。
  8. Abbott, BP 等人（LIGO 科学合作组织和 Virgo 合作组织）（2017 年）。 “GW170817：对双中子星引力波的观测。” 物理评论快报， 119，161101。
  9. Drout, MR 等人（2017 年）。 “中子星合并的光变曲线 GW170817“/SSS17a。” 科学， 358，1570–1574年。
  10. Demorest, PB 等人（2010 年）。 “使用夏皮罗延迟测量的两倍太阳质量的中子星。” 自然， 467，1081–1083。

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